Espectrometría de movilidad iónica

Técnica analítica utilizada para separar e identificar moléculas ionizadas en fase gaseosa.

Chip IMS en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste de EE. UU .: este chip del tamaño de una moneda de diez centavos proporciona docenas de canales a través de los cuales viajan los iones (perpendiculares al plano de visión) para separarse e identificarse.

Espectrometría de movilidad iónica ( IMS ) Es un método para realizar investigaciones analíticas que separa e identifica moléculas ionizadas presentes en la fase gaseosa basándose en la movilidad de las moléculas en un gas portador tampón. Aunque se utiliza ampliamente para objetivos militares o de seguridad, como la detección de drogas y explosivos, la tecnología también tiene muchas aplicaciones en el análisis de laboratorio, incluido el estudio de biomoléculas pequeñas y grandes. ^[1] Los instrumentos IMS son dispositivos independientes extremadamente sensibles, pero a menudo se combinan con espectrometría de masas , cromatografía de gases o cromatografía líquida de alto rendimiento para lograr una separación multidimensional. Vienen en varios tamaños, que van desde unos pocos milímetros hasta varios metros según la aplicación específica, y son capaces de operar en una amplia gama de condiciones. Los instrumentos IMS, como la espectrometría de movilidad iónica de forma de onda asimétrica de campo alto a microescala , pueden llevarse en la palma de la mano para su uso en una variedad de aplicaciones, incluido el monitoreo de compuestos orgánicos volátiles (VOC), análisis de muestras biológicas, diagnóstico médico y monitoreo de la calidad de los alimentos. ^[2] Los sistemas que funcionan a mayor presión (es decir, condiciones atmosféricas, 1 atm o 1013 hPa) suelen ir acompañados de una temperatura elevada (por encima de 100 °C), mientras que los sistemas de menor presión (1–20 hPa) no requieren calefacción. ^{[ cita requerida ]}

Historia

El IMS fue desarrollado por primera vez por Earl W. McDaniel del Instituto de Tecnología de Georgia en los años 1950 y 1960, cuando utilizó celdas de deriva con campos eléctricos aplicados bajos para estudiar las reacciones y movilidades de iones en fase gaseosa. ^[3] En las décadas siguientes, integró la tecnología recientemente desarrollada en la que había estado trabajando con un espectrómetro de masas de sector magnético. Durante este período, otros también utilizaron sus técnicas de formas novedosas y originales. Desde entonces, las celdas IMS se han incluido en varias configuraciones de espectrómetros de masas, cromatógrafos de gases e instrumentos de cromatografía líquida de alto rendimiento. El IMS es un método utilizado en múltiples contextos, y la amplitud de aplicaciones que puede admitir, además de sus capacidades, se está expandiendo continuamente.

Aplicaciones

Quizás la mayor fortaleza de la espectrometría de movilidad iónica es la velocidad a la que ocurren las separaciones, típicamente del orden de decenas de milisegundos. Esta característica combinada con su facilidad de uso, sensibilidad relativamente alta y diseño altamente compacto han permitido que IMS como producto comercial se use como una herramienta de rutina para la detección de campo de explosivos , drogas y armas químicas . Los principales fabricantes de dispositivos de detección IMS utilizados en aeropuertos son Morpho y Smiths Detection . Smiths compró Morpho Detection en 2017 y posteriormente tuvo que desinvertir legalmente la propiedad del lado Trace del negocio (Smiths tiene Trace Products) ^[4] que se vendió a Rapiscan Systems a mediados de 2017. Los productos están listados en ETD Itemisers. El último modelo es un 4DX sin radiación.

En la industria farmacéutica, el IMS se utiliza en validaciones de limpieza , demostrando que los recipientes de reacción están lo suficientemente limpios como para continuar con el siguiente lote de producto farmacéutico. El IMS es mucho más rápido y preciso que los métodos de HPLC y carbono orgánico total utilizados anteriormente. El IMS también se utiliza para analizar la composición de los medicamentos producidos, encontrando así un lugar en el control y garantía de calidad. ^[5]

Como herramienta de investigación, la movilidad iónica se está utilizando cada vez más en el análisis de materiales biológicos, específicamente en proteómica y metabolómica . Por ejemplo, la IMS-MS que utiliza MALDI como método de ionización ha ayudado a realizar avances en proteómica, proporcionando separaciones más rápidas y de alta resolución de fragmentos de proteínas en el análisis. ^[6] Además, es una herramienta realmente prometedora para la glicanómica , ya que se pueden obtener valores de sección transversal de colisión (CCS) promediados rotacionalmente. Los valores de CCS son características distintivas importantes de los iones en la fase gaseosa y, además de las determinaciones empíricas, también se pueden calcular computacionalmente cuando se conoce la estructura 3D de la molécula. De esta manera, agregar valores de CCS de glicanos y sus fragmentos a las bases de datos aumentará la confianza y la precisión de la identificación estructural. ^[7]

Fuera de los laboratorios, el IMS se ha utilizado mucho como herramienta de detección de sustancias peligrosas. En los aeropuertos de todo el mundo se utilizan más de 10 000 dispositivos IMS y el ejército de los EE. UU. tiene más de 50 000. ^{[8] [9]} En entornos industriales, los usos del IMS incluyen la comprobación de la limpieza de los equipos y la detección de los contenidos de las emisiones, como la determinación de la cantidad de ácido clorhídrico y fluorhídrico en un gas de chimenea de un proceso. ^[10] También se aplica en la industria para detectar sustancias nocivas en el aire. ^[11]

En metabolómica , el IMS se utiliza para detectar cáncer de pulmón , enfermedad pulmonar obstructiva crónica , sarcoidosis , posibles rechazos después del trasplante de pulmón y relaciones con bacterias dentro del pulmón (ver Análisis de gases respiratorios ).

Movilidad iónica

La cantidad física movilidad iónica K se define como el factor de proporcionalidad entre la velocidad de deriva de un ion v _d en un gas y un campo eléctrico de intensidad E .

${\displaystyle v_{\text{d}}=KE}$

Después de realizar los ajustes necesarios para tener en cuenta la densidad de gas estándar n0, las movilidades iónicas suelen expresarse como movilidades reducidas. Este número también se puede describir como temperatura estándar T0 = 273 K y presión estándar p0 = 1013 hPa. Ambos se pueden encontrar en la siguiente tabla. Las concentraciones de iones son otro término que se puede utilizar para referirse a las movilidades iónicas. Debido a esto, la movilidad iónica reducida sigue dependiendo de la temperatura, aunque este ajuste no considera ningún impacto aparte de la reducción en la densidad del gas.

${\displaystyle K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K\ {\frac {T_{0}}{T}}\ {\frac {p}{p_{0}}}}$

La movilidad iónica K puede, bajo una variedad de supuestos, calcularse mediante la ecuación de Mason-Schamp.

${\displaystyle K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }}}$

donde Q es la carga iónica , n es la densidad numérica del gas de deriva , μ es la masa reducida del ion y las moléculas del gas de deriva, k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura del gas de deriva y σ es la sección transversal de colisión entre el ion y las moléculas del gas de deriva. A menudo, se utiliza N en lugar de n para la densidad numérica del gas de deriva y Ω en lugar de σ para la sección transversal de colisión neutra del ion. Esta relación se mantiene aproximadamente en un límite de campo eléctrico bajo, donde la relación de E/N es pequeña y, por lo tanto, la energía térmica de los iones es mucho mayor que la energía obtenida del campo eléctrico entre colisiones. Como estos iones tienen energías similares a las moléculas del gas tampón, las fuerzas de difusión dominan el movimiento de los iones en este caso. La relación E / N se da normalmente en Townsend (Td) y la transición entre condiciones de campo bajo y alto se estima normalmente que ocurre entre 2 Td y 10 Td. ^[12] Cuando ya no prevalecen las condiciones de campo bajo, la movilidad iónica en sí misma se convierte en una función de la intensidad del campo eléctrico que generalmente se describe empíricamente a través de la llamada función alfa.

${\displaystyle K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\,\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right)\right]=K(0)\,\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{4}+...\right]}$

Ionización

Las moléculas de la muestra necesitan ser ionizadas , generalmente mediante descarga de corona , fotoionización a presión atmosférica (APPI), ionización por electrospray (ESI) o una fuente de ionización química a presión atmosférica radiactiva (R-APCI), por ejemplo, un pequeño trozo de ⁶³ Ni o ²⁴¹ Am , similar al que se usa en los detectores de humo por ionización . ^[13] Las técnicas ESI y MALDI se usan comúnmente cuando la IMS se combina con la espectrometría de masas.

A veces se añaden materiales dopantes al gas de deriva para lograr selectividad por ionización. Por ejemplo, se puede añadir acetona para la detección de agentes de guerra química, disolventes clorados para explosivos y nicotinamida para la detección de drogas. ^[14]

Analizadores

Existen espectrómetros de movilidad iónica basados ​​en diversos principios, optimizados para diferentes aplicaciones. Una revisión de 2014 enumera ocho conceptos diferentes de espectrometría de movilidad iónica. ^[15]

Espectrometría de movilidad iónica con tubo de deriva

La espectrometría de movilidad iónica con tubo de deriva (DTIMS) mide el tiempo que tarda un ion determinado en atravesar una longitud determinada en un campo eléctrico uniforme a través de una atmósfera determinada. En intervalos específicos, se deja entrar una muestra de iones en la región de deriva; el mecanismo de compuerta se basa en un electrodo cargado que funciona de forma similar a la rejilla de control de los triodos para los electrones. Para un control preciso del ancho de pulso iónico admitido en el tubo de deriva, se emplean sistemas de compuerta más complejos, como un Bradbury-Nielsen o un obturador de conmutación de campo. Una vez en el tubo de deriva, los iones se someten a un campo eléctrico homogéneo que va desde unos pocos voltios por centímetro hasta muchos cientos de voltios por centímetro. Este campo eléctrico impulsa a los iones a través del tubo de deriva, donde interactúan con las moléculas de deriva neutras contenidas en el sistema y se separan en función de la movilidad iónica , llegando al detector para su medición. Los iones se registran en el detector en orden del más rápido al más lento, generando una señal de respuesta característica de la composición química de la muestra medida.

La movilidad iónica K se puede determinar experimentalmente a partir del tiempo de deriva t D _de un ion que atraviesa dentro de un campo eléctrico homogéneo la diferencia de potencial U en la longitud de deriva L.

${\displaystyle K={\frac {L^{2}}{t_{\text{D}}U}}}$

El poder de resolución R _P de un tubo de deriva se puede calcular, cuando se supone que la difusión es el único contribuyente al ensanchamiento del pico, como

${\displaystyle R_{\text{P}}={\frac {t_{\text{D}}}{\Delta t_{\text{D}}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}}$

donde t _D es el tiempo de deriva del ion, Δ t _D es el ancho total a la mitad del máximo , L es la longitud del tubo, E es la intensidad del campo eléctrico, Q es la carga del ion, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura del gas de deriva. Los métodos de presión ambiente permiten un mayor poder de resolución y una mayor selectividad de separación debido a una mayor tasa de interacciones ion-molécula y se utilizan típicamente para dispositivos independientes, así como para detectores de cromatografía de gases, líquidos y fluidos supercríticos. Como se muestra arriba, el poder de resolución depende de la caída de voltaje total que atraviesa el ion. Usando un voltaje de deriva de 25 kV en un tubo de deriva a presión atmosférica de 15 cm de largo, se puede lograr un poder de resolución por encima de 250 incluso para iones pequeños con una sola carga. ^[16] Esto es suficiente para lograr la separación de algunos isotopólogos en función de su diferencia en masa reducida μ . ^[17]

Tubo de deriva de baja presión

Los tubos de deriva a presión reducida funcionan utilizando los mismos principios que sus contrapartes a presión atmosférica, pero a una presión de gas de deriva de solo unos pocos torr. Debido al número enormemente reducido de interacciones ion-neutrales, se necesitan tubos de deriva mucho más largos u obturadores de iones mucho más rápidos para lograr el mismo poder de resolución. Sin embargo, la operación a presión reducida ofrece varias ventajas. Primero, facilita la interconexión del IMS con la espectrometría de masas. ^[3] Segundo, a presiones más bajas, los iones se pueden almacenar para inyección desde una trampa de iones ^[18] y reenfocarse radialmente durante y después de la separación. Tercero, se pueden lograr altos valores de E / N , lo que permite la medición directa de K ( E / N ) en un amplio rango. ^[19]

Onda viajera

Aunque los campos eléctricos de deriva son normalmente uniformes, también se pueden utilizar campos de deriva no uniformes. Un ejemplo es el IMS de onda viajera ^[20] , que es un IMS de tubo de deriva de baja presión donde el campo eléctrico solo se aplica en una pequeña región del tubo de deriva. Esta región luego se mueve a lo largo del tubo de deriva, creando una onda que empuja los iones hacia el detector, eliminando la necesidad de un alto voltaje de deriva total. Una determinación directa de las secciones transversales de colisión (CCS) no es posible utilizando TWIMS. Los calibradores pueden ayudar a sortear este importante inconveniente, sin embargo, deben coincidir en cuanto al tamaño, la carga y la clase química del analito dado ^[21] . Una variante especialmente notable es el IMS "SUPER", ^[22] que combina el atrapamiento de iones mediante las llamadas estructuras para manipulaciones de iones sin pérdida (SLIM) con varios pases a través de la misma región de deriva para lograr poderes de resolución extremadamente altos.

Espectrometría de movilidad de iones atrapados

En la espectrometría de movilidad de iones atrapados (TIMS), los iones se mantienen estacionarios (o atrapados) en un gas tampón que fluye mediante un perfil de gradiente de campo eléctrico axial (EFG), mientras que la aplicación de potenciales de radiofrecuencia (rf) da como resultado el atrapamiento en la dimensión radial. ^[23] La TIMS opera en el rango de presión de 2 a 5 hPa y reemplaza el embudo de iones que se encuentra en la región de la fuente de los espectrómetros de masas modernos. Se puede acoplar con casi cualquier analizador de masas a través del modo de operación estándar para instrumentos de tipo haz o el modo de acumulación selectiva (SA-TIMS) cuando se usa con instrumentos de espectrometría de masas (MS) con atrapamiento.

En efecto, la celda de deriva se prolonga por el movimiento iónico creado a través del flujo de gas. ^[24] Por lo tanto, los dispositivos TIMS no requieren un gran tamaño ni un alto voltaje para lograr una alta resolución, por ejemplo, logrando un poder de resolución de más de 250 desde un dispositivo de 4,7 cm mediante el uso de tiempos de separación extendidos. ^[25] Sin embargo, el poder de resolución depende en gran medida de la movilidad iónica y disminuye para iones más móviles. Además, TIMS puede ser capaz de una mayor sensibilidad que otros sistemas de movilidad iónica porque no existen rejillas ni obturadores en la ruta iónica, lo que mejora la transmisión iónica tanto durante los experimentos de movilidad iónica como mientras opera en un modo MS solo transparente.

Espectrometría de movilidad iónica de forma de onda asimétrica de campo alto

El DMS (espectrómetro de movilidad diferencial) o el FAIMS ( espectrómetro de movilidad iónica asimétrica de campo ) utilizan la dependencia de la movilidad iónica K con la intensidad del campo eléctrico E en campos eléctricos altos. Los iones son transportados a través del dispositivo por el flujo de gas de deriva y sometidos a diferentes intensidades de campo en dirección ortogonal durante diferentes períodos de tiempo. Los iones son desviados hacia las paredes del analizador en función del cambio de su movilidad. De este modo, solo los iones con una cierta dependencia de la movilidad pueden pasar el filtro así creado.

Analizador de movilidad diferencial

Ejemplo de sensor IMS de aspiración.

Un analizador de movilidad diferencial ( DMA ) utiliza una corriente de gas rápida perpendicular al campo eléctrico. De este modo, los iones de diferentes movilidades siguen trayectorias diferentes. Este tipo de IMS corresponde a los instrumentos del sector de la espectrometría de masas . También funcionan como un filtro escaneable. Los ejemplos incluyen el detector de movilidad diferencial comercializado por primera vez por Varian en el CP-4900 MicroGC. El IMS de aspiración funciona con circulación de bucle abierto del aire muestreado. El flujo de muestra pasa a través de la cámara de ionización y luego ingresa al área de medición donde los iones se desvían hacia uno o más electrodos de medición mediante un campo eléctrico perpendicular que puede ser estático o variable. La salida del sensor es característica de la distribución de la movilidad de los iones y se puede utilizar para fines de detección e identificación.

Principio de funcionamiento de un analizador de movilidad diferencial para la separación de aerosoles

Un DMA puede separar partículas de aerosol cargadas o iones según su movilidad en un campo eléctrico antes de su detección, lo que se puede hacer con varios medios, incluidos los electrómetros o los espectrómetros de masas más sofisticados. ^{[26] [27] [28]}

Gas de deriva

La composición del gas de deriva es un parámetro importante para el diseño y la resolución del instrumento IMS. A menudo, las diferentes composiciones del gas de deriva pueden permitir la separación de picos que de otro modo se superpondrían. ^[29] La temperatura elevada del gas ayuda a eliminar los grupos de iones que pueden distorsionar las mediciones experimentales. ^{[30] [31]}

Detector

A menudo, el detector es una simple placa de Faraday acoplada a un amplificador de transimpedancia ; sin embargo, los instrumentos de movilidad iónica más avanzados se acoplan a espectrómetros de masas para obtener información de tamaño y masa simultáneamente. Cabe destacar que el detector influye en las condiciones operativas óptimas para el experimento de movilidad iónica. ^[32]

Métodos combinados

IMS se puede combinar con otras técnicas de separación.

Cromatografía de gases

Cuando la IMS se combina con la cromatografía de gases, la introducción habitual de la muestra se realiza con la columna capilar del GC conectada directamente a la configuración de la IMS, con moléculas ionizadas a medida que eluyen del GC. ^[14] Una técnica similar se utiliza habitualmente para la HPLC . En 2012 se produjo un diseño novedoso para la espectrometría de movilidad iónica de ionización por descarga de corona (CD-IMS) como detector después de la cromatografía de gases capilar. En este diseño, se utilizó una aguja hueca para la creación de la descarga de corona y el efluente se introdujo en la región de ionización en el lado ascendente de la fuente de corona. Además de las conveniencias prácticas de acoplar el capilar a la celda IMS, esta interfaz axial directa nos ayuda a lograr una ionización más eficiente, lo que resulta en una mayor sensibilidad.

Cuando se utiliza con GC, un analizador de movilidad diferencial a menudo se denomina detector de movilidad diferencial ( DMD ). ^[33] Un DMD es a menudo un tipo de sistema microelectromecánico , un dispositivo de espectrometría de movilidad iónica modulada por radiofrecuencia (MEMS RF-IMS). ^[34] Aunque es pequeño, puede caber en unidades portátiles, como cromatógrafos de gases transferibles o sensores de drogas/explosivos. Por ejemplo, fue incorporado por Varian en su CP-4900 DMD MicroGC, y por Thermo Fisher en su sistema EGIS Defender, diseñado para detectar narcóticos y explosivos en el transporte u otras aplicaciones de seguridad.

Cromatografía líquida

Junto con la LC y la MS, la IMS se ha utilizado ampliamente para analizar biomoléculas, una práctica desarrollada en gran medida por David E. Clemmer , ahora en la Universidad de Indiana (Bloomington) . ^[35]

Espectrometría de masas

Cuando se utiliza IMS con espectrometría de masas, la espectrometría de movilidad iónica (espectrometría de masas) ofrece muchas ventajas, entre ellas una mejor relación señal-ruido, separación de isómeros e identificación del estado de carga. ^{[3] [36]} La IMS se ha conectado comúnmente a varios analizadores de espectrometría de masas, incluidos los de cuadripolo, tiempo de vuelo y resonancia ciclotrón por transformada de Fourier.

Software dedicado

La espectrometría de masas por movilidad iónica es una técnica de análisis de iones en fase gaseosa que se ha popularizado bastante recientemente. Como tal, no existe una gran oferta de software para visualizar y analizar datos de espectrometría de masas por movilidad iónica, aparte de los paquetes de software que se envían junto con los instrumentos. ProteoWizard, ^[37] OpenMS, ^[38] y msXpertSuite ^[39] son ​​software libre según la definición de OpenSourceInitiative. Si bien ProteoWizard y OpenMS tienen características que permiten el escrutinio del espectro, esos paquetes de software no proporcionan funciones de combinación. Por el contrario, msXpertSuite ofrece la capacidad de combinar espectros según varios criterios: tiempo de retención, rango m/z, rango de tiempo de deriva, por ejemplo. Por lo tanto, msXpertSuite imita más de cerca el software que generalmente viene incluido con el espectrómetro de masas.

Véase también

• Movilidad eléctrica
• Detección de explosivos
• Teoría de Viehland-Mason

Referencias

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Enlaces externos

• Listado de sitios de instrumentos analíticos en Curlie